基于磁阻传感器的无线交通量数据采集系统

交通科技TRANSPORT SCIENCE AND TECHNOLOGY·94·《交通标准化》2011年第2期·总第237期TRANSPORT ST ANDARDIZA TION.2011, ISSUE 2(No.237)蒋 磊，王振翀，张 晨（中国矿业大学（北京）机电学院，北京 100083）摘要：针对传统的车辆检测方法容易对路面造成伤害、传感器易受周围环境的干扰等问题，通过融合无线通信、集成电路、传感器、计算机网络技术，可研究开发出一种无人值守且对道路没有损害的新型交通量数据采集系统。

关键词：磁阻传感器；交通量；实时监测中图分类号：U412.2 文献标识码：A 文章编号：1002-4786（2011）02-0094-03Wireless Traf fi c Data Collection System Based onMagnetoresistive SensorJIANG Lei ，WANG Zhen-chong ，ZHANG Chen(Beijing Electrical and Mechanical College in China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)Abstract :In order to solve the problem of the roads damaged by traditional method for vehicle detection and sensors interfered easy by the surrounding environment, a new lights-out traffic data collection system which can not damage the road may be researched with the integration of wireless communications, integrated circuits, computer network technology.Key words :magnetoresistive sensor ; traffic ; real-time monitoring基于磁阻传感器的无线交通量数据采集系统1 研究的重要性和紧迫性随着生活条件的不断改善，人们对于交通的依赖也越来越重，强大完善的公共交通系统是现代化社会发展的必要条件。

车辆给人类的生活带来了极大的方便，然而它的飞速发展也带来了许多问题。

由于人们对于交通的需求超过了现有交通系统的承受力，城市道路面临着日益拥挤的交通问题。

交通拥挤导致时间的延误、交通事故增多、燃油损耗上升、环境污染加剧，这些都将给社会造成巨大的经济损失。

而建造各种公路等物理设施的能力是有限的，所以建立智能化的交通管理系统是解决交通拥挤问题的必要和妥善的方法。

2 主要研究内容2.1 采集系统的发展现状采集交通量信息主要是检测车辆，将车辆的存在和运动状况转换成电信号输出。

根据这些特点，结合目前的成熟技术，在我国公路部门使用的交通情况、公路交通量自动采集仪器和设备，就其传感器的使用来说主要包括以下几类：光电传感器类、超声波传感类、压力称重传感类、激光类、视频式、无线电类。

近年来，随着高速公路和城市交通监控与管理系统的发展，车辆检测器已得到了广泛的运用，同时车辆检测器技术也随着传感器、通信、计算机和人工智能等技术的发展得到迅速提高。

传统的车辆检测方法容易对路面造成伤害，传感器易受周围环境的干扰。

本文研究了一种对公路不造成破坏，而且受环境影响小、测量结果准确、稳定性高且能无人值守的无线交通量数据采集系统。

无线交通量数据采集系统分为硬件和软件两大部分。

硬件包括GPRS 数传模块、磁阻传感器以及微控制器的选型、无线Modem 的功能设计、串口电路接口扩展；软件包括数据传输协议的制定、数据采集模块软件实现、利用SOCKET 进行TCP/IP 协议编程，最终实现数据的实时传输和在线监控。

·95·《交通标准化》2011年第2期·总第237期TRANSPORT ST ANDARDIZA TION.2011, ISSUE 2(No.237)2.2 磁阻传感器在车辆检测的应用一辆汽车可看作是多个双极性磁铁组成的模型，这些双极性磁铁具有北－南的极化方向，引起地球磁场的扰动。

这些扰动在汽车发动机和车轮处尤为明显，但也取决于在车辆内部、车顶或后备箱中有没有其他铁磁物质。

总之，其综合影响是对地球磁场磁力线的扭曲和畸变（如图1所示），这种扭曲也被称作车辆的硬铁影响或干扰。

利用磁干扰可以分辨不同类型的车辆，如轿车、面包车、卡车、大客车、拖车等。

当车辆靠近磁传感器，从旁边或上面驶过时，传感器将感测出车辆不同部位的所有不同的双极性磁矩，磁场的变化将描述出车辆非常详细的磁特征。

将一个三轴的AMR 磁场计安装在车道旁，可以提供车辆通过时带来的丰富的磁信号。

两种不同车辆从磁场计上方开过时，X、Y、Z 轴上的地磁场强度如图2所示。

三条曲线分别代表了X、Y、Z 的曲线地球磁场强度的变化，X 轴指向西、Y 轴指向南、Z 轴竖直向上。

曲线的开始点是传感器所在的地磁场值。

对于检测车辆的存在和方向，不需要象对车辆进行分类一样有如此详细的信息，也不需要在车道的路面上挖坑来埋入传感器。

推荐将传感器放置在路边，沿着被检测的车道，不需要在车道表面挖坑，通过对AMR 传感器进行简单的设置，即可以有效而可靠地检测车辆。

沿着向上方向的Z 轴磁场可用来检测车辆的存在，该曲线的特点是：当传感器与车辆平行时出现峰值。

对该曲线进行平滑处理后，可用来指示车辆的存在。

通过建立合适的阀值，可以滤掉旁边车道的车辆或远距离车辆带来的干扰信号。

AMR 磁传感器在1m 的路边检测距离范围内可以工作得很好。

通过观察磁场的变化，可以确定通过车辆的存在和方向。

这种检测方法的好处是不用在铺路时切割路面，传感器可以安装在铝制外壳中。

根据不同的检测车辆的要求，所需的磁场变化的程度和类型将决定传感器如何安放、距离有多远。

如果需要检测车辆速度和对车辆进行分类，则最好将传感器埋入路中，车辆从传感器上方驶过；如果需要检测车辆的存在和方向，则最好将传感器以较远距离安装在路边。

3 系统整体及硬件设计系统首先实时采集三轴磁阻传感器的信号，经过模数转换后将传感器输出的模拟量转换成数字量，由同步串行总线送入微处理器；微处理器接受传感器信号后，将其进行信号处理，并将信号以规定的格式存储到文件里，然后通过通信模块将数据传送出去。

系统采用了基于ARM920T 核心RISC 架构的Samsung S3C2410为微处理器，以及霍尼韦尔HMC2003三轴固态低磁混合电路磁阻传感器对车辆扰动地磁场进行检测；选用Simens 的MC35作为GPRS 通讯模块。

硬件结构如图3所示。

3.1 GPRS 通信终端与CPU 的连接与通信系统采用DCE-DTE 的方式连接MC35与S3C2410。

对于标准RS232中未使用的引脚，如果为输出引脚则浮空，如果为输入引脚则通过10K 欧姆电阻上拉。

IGT 引脚用于启动GPRS 引擎模块，为下降沿使能。

IGT 引脚与S3C2410通用端口相连，利用软件启动MC35。

3.2 磁阻传感器与CPU的连接与通信图1 铁质物体对地磁场的干扰forwardreverse传感器数据采集模块微处理器及外围接口GPRS通信模块HMC2003三轴磁阻传感器16位A/D 转换器ADS8343S3C2410RS232MC35SDRA M 电源管理图3 系统整体硬件框图图2 X、Y、Z 轴上的地磁场强度1 51 101 151 201 251-200-300-400-500-600E a r t h 'sF i e l d (m g a u s s )1 51 101 151 201 2511 51 101 151 201 2513002001000-100-200-50-150-250-350-450E a r t h 'sF i e l d (m g a u s s )E a r t h 'sF i e l d (m g a u s s )X-axisY-axisZ-axisTime(x 50mslc)Ferrous Object+Uniform Magnetic Field=Field Disturbance交通科技TRANSPORT SCIENCE AND TECHNOLOGY·96·《交通标准化》2011年第2期·总第237期TRANSPORT ST ANDARDIZA TION.2011, ISSUE 2(No.237)为了实现对磁阻传感器信号的采集，首先需要选择合适的A/D 器件或A/D 片，其次要了解该器件或芯片如何与微处理器相连并使用。

模数转换器的选择是本系统设计的关键，模数转换电路的精度直接决定了本系统的精度。

因此，要根据传感器的精度要求选择合适的A/D 转换器。

A/D 转换器的选择主要考虑以下几个因素：输入电压范围、分辨率、精度、转换时间、输入通道数、数字接口方式、成本、功耗等，其中最主要的依据是速度和精度。

分辨率是指模数转换器在转换中所能分辨的最小量，习惯上用转换结果的位数表示。

分辨率表示了A/D 转换器对输入模拟信号数字化后的精细程度。

不作量程切换时，由输入模拟信号的动态范围和要求分辨的最小输入可计算所需要的ADC 分辨率，即：对于本系统根据：即可得到磁阻传感器ADC 的位数为16。

HMC2003有Xout、Yout、Zout 三个输出引脚，分别对应传感器所在位置的X 轴、Y 轴、Z 轴上的磁场强度。

三个引脚输出0~5V 的电压（2.5V 代表磁场强度为0），因此可以直接将信号输出到A/D 器件。

根据以上分析进行综合考虑，本设计选用了TI 公司的ADS8343作为A/D 转换器。

3.3 软件设计系统主要承担着数据采集、数据存储和数据传输三个任务，因此应用程序也分为三个模块。

应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务，利用系统资源选择Linux 作为操作系统开发平台，可保证程序执行的实时性和可靠性。

3.3.1 数据采集模块其系统流程图如图4所示。

用户首先使用open 函数打开A/D 设备，A/D 打开后就会获得全局唯一的描述符，在以后的操作中即可使用这个操作符直接对A/D 设备进行操作。

然后通过ioctl 函数设置A/D 的采样时间，A/D 设置好以后，即可通过read 函数得到采样值。